全向天线是什么？

2024-11-08 756

从字面上理解，全向天线是指能够向各个方向均匀辐射信号的天线。然而，"全向"的含义实际上需要根据具体的通信应用场景来进行解读。例如，在自由空间中的天线（如低地球轨道卫星上的天线），可能希望天线在三维空间内均匀辐射；而对于地面高频通信站，人们通常期望天线在水平面上的方位角（360°）方向上均匀辐射。

典型的全向方位角瓣图

在低地轨道卫星使用的地面站天线的另一种情况下，人们希望全向天线不仅能覆盖方位角 360°，而且能覆盖地面以上的所有仰角，从而在地球上空产生半球形的圆顶辐射模式。

全向天线的分类并非基于任何特定的天线设计结构，而是根据其产生的辐射模式进行分类。根据上述介绍，人们可能会期望在所需方向上的增益大小是完全一致的，但并非所有类型的全向天线都能做到这一点。可能会有一些偏差，因此根据不同的应用，也可以接受非常接近全向的辐射模式。这就引出了增益波纹一词。这个术语设定了不同方向增益变化的可接受性极限，而理论上人们期望的是完美的均匀性。通常情况下，2-3 dB 的增益纹波是可以接受的，不过，根据通信应用的不同，这一限制可能会稍小或稍大。

下面让我们来研究并介绍几种常用于各种无线电通信应用的典型全向天线。

马可尼 1/4λ （单极子）天线

马可尼单极子天线也俗称垂直平面天线。辐射元件的长度通常为 1/4λ 并垂直定向。当发射机驱动辐射元件时，它利用地面作为反极板和辐射元件上产生的电场的返回路径。中频（MF）无线电广播站使用的就是这种实用天线的一个例子。作为中程本地广播电台，它们需要沿方位角平面提供全向服务覆盖。此外，垂直单极天线的另一个优点是，由于它能产生垂直极化辐射模式，因此与任何水平极化天线相比，它能提供更好的面波（地波）覆盖。

对于这种类型的天线来说，重要的是架设天线的地面要有良好的土壤特性（导电性和介电常数）。但这并不总是可能的。因此，大多数单极地平面天线都使用人工地增强技术来提高效率和性能。通常情况下，几乎所有的安装都会在天线周围铺设一组金属丝或金属网结构。这些天线可以铺设在地表上，也可以埋在土壤下面一点。这就起到了人工地平面的作用，其半径通常为单极子底座周围的 1/4 λ。

配图来源于网络

业余无线电业余爱好者经常在高频波段以及甚VHF/UHF(高频/超高频)全向地面无线电通信中非常有效地使用垂直地平面天线。这种天线结构简单，易于制作，不需要天线旋转器，在无线电业余爱好者中颇受欢迎。在这些频段上，这种天线可以有效利用由径向导体组成的人工地平面，而无需绝对接地。因此，不需要安装在实际地面附近。

只要单极天线与人造地面径向系统集成在一起，它就可以在任何地方或地面以上任何高度顺利安装。高频天线可以安装在建筑物的屋顶上，并在屋顶上铺设辐射线，而甚高频/超高频天线则可以安装在桅杆上，并在垂直元件附近的底座上连接辐射杆。这种天线的辐射模式在方位角上是真正的全向的，而在仰角上则提供了广泛的仰角覆盖，在 90° 仰角处有一个很深的无效点。

这种天线有多种变体，一些变体的辐射元件长度与 1/4λ 版本不同。其中一个非常流行的版本是带有 5/8λ 长度辐射器的垂直单极。对于普通的高频业余无线电爱好者来说，这种结构可能有点过高，但在 6 米、2 米、70 厘米波段以及更远的波段上则完全可以承受。5/8λ 垂直天线的优点是增益较高，具有全向方位模式，在仰角平面上的压缩较大，因此更适合低起飞角辐射的 DX 操作。这两种天线变体都是谐振单频驻波型天线。当然，它们也可以通过适当使用陷波器变成多波段天线。

用于地面通信的全向天线

下面简要介绍其他一些用于地面通信的全向天线，这些天线具有具有不同程度的增益和仰角瓣压缩的全向方位角模式。

垂直偶极子

水平偶极子可能是最常见的天线类型之一。它的中心是一根 1/2λ 长的导线。它是一种高效谐振天线，可在水平配置中产生水平极化双向辐射模式。不过，偶极子也可以垂直定向。这将产生全向方位角模式，非常适合地面通信。虽然垂直偶极子在结构上可能比较高，不适合无线电业余爱好者在大多数高频频段上实际使用，但其物理尺寸完全可以在甚高频/超高频频段上使用。垂直偶极子的极化是垂直的。

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普通模式螺旋天线

螺旋天线经常用于各种VHF/UHF(高频/超高频)应用。根据螺旋天线的物理尺寸，它既可以沿轴线辐射，也可以与轴线正交（宽边）辐射。这两种不同的模式（取决于设计）分别称为轴向模式和普通模式。普通模式螺旋的轴线位于垂直方向，可作为全向天线使用。这种天线的优点是，在增益相同的情况下，它的物理长度比单极天线小，或者可以通过增加螺旋的匝数来增加螺旋的长度，从而获得更高的增益。

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J-Pole 天线

这基本上是一种半波偶极子天线，垂直方向，在底端驱动，而不是像普通偶极子那样在中间驱动。在末端驱动偶极子的问题是，末端的馈电点阻抗极高，因此很难实现阻抗匹配以有效传输功率。J-Pole 天线采用了一种巧妙的技术来规避这一问题。它在偶极子的下端增加了另一个 1/4λ 部分，并在靠近第一部分的地方增加了一个平行导体。这个较低的部分现在就像一条 1/4λ 的传输线。下部的底端短接在一起。这使得 1/4λ 底端部分在偶极子上端部分呈现出完美的高匹配阻抗。因此，J-Pole 的总垂直长度为 3/4λ。发射机的馈线连接在一个合适的位置，略高于结构的底部，在这里可以实现良好的阻抗匹配。这种天线增益高，起飞角小，适用于 DX。

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上图A是一个J-Pole 天线实例，B是用直径3-10mm的铜线或铜管制作的J-Pole 天线（适用于大功率）。

Slim-Jim 天线

Slim-Jim 是 J-Pole 的一种变体。长度相同，增益和全向辐射模式也相同。Slim-Jim 可视为折叠偶极子（而非简单偶极子），其高阻抗端采用与 J-Pole 相同的方法（1/4λ 短接 TL 部分）进行驱动。Slim-Jim 的物理结构允许使用一段明线传输线或一段 300Ω 或 450Ω 传输线来构建它，因此它绝对轻巧便携。

垂直共线阵列天线

从技术上讲，这是一种堆叠式天线阵列。它就像将一个或多个 1/2λ 长度的垂直偶极子级联在一个普通的 1/4λ 垂直单极子天线上方。下单极子的上端驱动下一个上偶极子的下端。然而，在单极子和上偶极子的交界点之间需要引入 180° 的相移。这可以通过多种方法实现，但最简单的方法是使用 1/4λ 长的传输线作为平行存根，并在远端短接。这就是所需的移相器。即使在单极子上方使用一个偶极子部分，这也是一种出色的天线。它在方位角上具有极佳的全向模式，增益大，起飞角小，DX 效果非常好。在第一个偶极子部分的顶部增加一个以上的偶极子可以产生很高的增益，但对于高频来说可能并不实际可行。不过，多节垂直共线天线常用于甚高频，特别是尺寸比较实用的超高频。

Open Sleeve 多波段垂直天线

Open Sleeve 垂直天线是一种多频段天线，它巧妙地利用了紧密间隔导体之间的相互感应特性。从结构上看，这种天线有一个正常的垂直辐射器，其长度的大小是为了在感兴趣的最低频段产生共鸣。这是主要的驱动元件，在底部与接地系统或一组辐射器一起馈电，类似于经典的垂直单极。其他几个可在不同较高频段产生共鸣的元件与驱动元件平行放置，距离非常近，以实现紧密的感应耦合。当激励频段变为更高频率时，主驱动元件不再产生谐振，馈电点阻抗幅值升高，成为无源元件。因此，感应耦合元件的有效并联负载阻抗现在决定了馈电点阻抗，并反映出谐振状态。

Discone碟形天线

该天线有多种变体，这种天线有多种变体，包括双碟形和倒碟形。由于其形状和结构，它是一种带宽超过几个倍频程的宽带天线。由于其物理尺寸限制，Discone 天线仅适用于 VHF/UHF 或更高频率。然而，它们也曾在各种场合部署在高频和中频频段上。在HF频段上，锥形结构不是实心的，而是由紧密间隔的导线组成，形成线笼结构。

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全向LEO卫星地球站天线

与我们目前讨论的地面通信应用相比，用于低地轨道卫星的固定全向天线有一些独特的额外要求。除了必要的全方向方位角覆盖外，这些天线还必须沿仰角平面在所有方向上都有非常广阔的覆盖范围，在仰角 80° 处没有明显的凹陷或无效。其次，这些天线最好能产生圆极化辐射模式，而不是线性极化。这是为了考虑地面站天线与卫星机载天线之间的极化不匹配问题。

除了少数卫星外，大多数LEO卫星没有任何轨道姿态稳定功能，它们通常使用线性极化天线，尤其是在2m链路上。然而，70cm链路的天线经常使用圆极化的“倾斜旋转门”天线。卫星天线极化的连续变化是由于电离层法拉第旋转现象以及卫星在轨道上移动时不断滚动、俯仰和翻滚造成的。

下面简要介绍业余无线电操作员常用的一些流行的全向天线。

四臂螺旋（QFH）天线

这是一种坚固的全向天线，通常用于工作的LEO卫星。它是一种紧凑的结构，可以很容易地封闭在由合适的非导电塑料材料制成的圆柱形管状软管中，在工作频率下具有低介电损耗。因此，它可以是一个防风雨天线，可以方便地安装在桅杆上。它不需要平衡径向或接地系统即可有效运行。QFH天线的辐射方向图是圆极化的，在方位角平面上是真正的全向的，而在仰角平面上几乎是全向的。LEO卫星工作的整体覆盖范围非常好。

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旋转门天线

通常，这种天线有两种变体。正常模式是水平极化的，轴向模式是圆极化的。对于LEO卫星工作，使用圆极化轴向模式旋转门天线。它由两个偶极子组成，取向为 90%deg;在交叉偶极子配置中彼此相对。两个偶极子同时驱动，但具有 90° 的相位差，通常使用 1/4λ 相位线束实现。该结构放置在人造接地平面上方，该接地平面由两个适当长度的交叉导体组成。由此产生的天线可安装在桅杆上，并在方位角和地面仰角上产生全向模式。典型旋转门天线的另一种变体是倾斜旋转门，它通常用作许多LEO卫星上的圆极化全向天线。

Eggbeater打蛋器天线

与旋转门天线一样使用交叉偶极子不同，该天线使用交叉全波环路，类似于典型的厨房打蛋器，因此得名。Eggbeater 天线环可以是圆形或矩形。它还需要一个交叉导体接地平面，如旋转门。由于全波有源环路，打蛋器的增益高于旋转门天线的增益。Eggbeater 天线非常常见，广泛用作 LEO 卫星地面站天线，用于全向覆盖。

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Lindenblad 天线

该天线的名字来源于其原产地在德国林登布拉德市。Lindenblad 天线早在第二次世界大战之前就已问世，具有圆极化全向模式。最初的天线由三个相互倾斜的折叠偶极子组成，彼此成 120°，放置在一个圆圈内。所有三个折叠偶极子都是通过复杂的相位线束馈电的驱动元件，以实现所需的相位关系。匹配传输线的馈电点阻抗变换也相对复杂。

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后来，出现了一种经典林登布拉德天线的变体，该变体采用了三个寄生偶极子和一个位于中心的垂直驱动偶极子元件。这种寄生式林登布拉德变体制作起来相对简单，并且与同轴电缆传输线具有良好的阻抗匹配。

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